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狭义与广义相对论浅说-第10部分
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纱怂嵝牛侵洹叭〉靡饧恢掠认灾匾保ㄅ逅�1982，151）。“相对论原理”既体现了普朗克个人偏爱的洛伦兹理论，也体现了爱因斯坦的相对论，然而，爱因斯坦的声望在持续增长，尽管仍然缓慢，1907年秋，J．斯塔克（《放射性和电学年鉴》的编辑）写信给爱因斯坦，要求他写一篇相对论的评述文章。1906年普朗克曾使用过相对性理论的术语（米勒1981，88），但1907年爱因斯坦采用了今天人们更熟悉的名称——相对论。第一篇引用爱因斯坦相对论论文的文章是W．考夫曼1905年撰写的。他认为爱因斯坦的“研究……与洛伦兹的研究在形式上是相同的”，只不过后者有益于推广。考夫曼最后说，他自己的实验数据驳倒了爱因斯坦和洛伦兹的电子理论，我们将稍后再来研究这个问题。
lop年，B．爱伦菲斯特写了一篇以爱因斯坦理论为主题的论文。第二年（1908），H．闵科夫斯基发表文章，把爱因斯坦理论从根本上转化为数学形式，“大大简化了狭义相对论”。经过这样几个步骤，理论革命才变成了真正的科学革命。佩斯（1983，152）指出，从1908年开始，爱因斯坦的名声及影响迅速提高。
爱因斯坦的学术生涯开始坦荡起来了。1909年春，他从伯尔尼瑞士专利局一个地位低微的审查员，一跃而成为苏黎士大学理论物理学助理教授，这很明显是由于他在固体量子论方面所做的工作。爱因斯坦的推荐人之一写道：爱因斯坦“当属最伟大的理论物理学家之列”（佩斯1982，185）。“由于相对论原理方面的工作，他正受到极其广泛的重视”。lop年7月8日，爱因斯坦获得了日内瓦大学的荣誉学位，同时获得这项荣誉的还有化学家W．奥斯特瓦尔德和M．居里夫人，他在这个职位上只呆了两年，1911年3月他来到了布拉格，晋升为德国卡尔·费迪南大学正教授。在那里工作了16个月后，F．弗兰克接替了这个职位。爱因斯坦又返回苏黎士，担任综合技术学院的物理学教授。
当然，影响接受狭义相对论的困难主要是观念上的，但也的确存在实验上的障碍。在1905年开创性的论文的结尾，爱因斯坦推导出一个电子横质量公式。这个公式与洛伦兹理论中的公式极其相似，其中的差异很快就被消除了。于是，这两种理论能给出相同的结果。但是，考夫曼在分别发表于1902和1903年的论文中指出，他的实验结果与洛伦兹理论（同样适用于爱因斯坦理论）的预言有很大差异，爱因斯坦对这些结果无动于衷（见米勒1981，81－92；333—334）。1906年，考夫曼在《物理学年鉴》（一年前爱因斯坦发表相对论论文的同一杂志）发表了一篇文章，详细归纳了爱因斯坦的时空观（米勒1981，343），并探讨了洛伦兹爱因斯坦电子理论。他总结道，他自己的测量结果于洛伦兹爱因斯坦理论的“基本假设是不相容的”（见霍尔顿1973，189－190；234235）。洛伦兹因此写了一封信给彭加勒（米勒1981，3343371982，2021），说他自己的“心智已经枯竭”。他对彭加勒说，“不幸的是”，他的假说“与考夫曼的新实验矛盾”，他认为“不得不放弃它”。但爱因斯坦却坚信：实验数据与理论间“系统误差”的存在说明有“未被注意的误差源”；新的更精确的实验一定会证实相对性理论。爱因斯坦的话得到了证实，1908年，A．H．布歇尔发表了新的实验结果，完全符合洛伦兹和爱因斯坦的预言。1910年，E．胡普卡的实验对此再次予以确证。而决定性的结果是19141916年间获得的。从那以后，各种表明相对论正确性的论据不断出现，且极为丰富。
随着实验证据的出现，相对论本身进行了根本性的重构。这项工作是哥廷根大学数学教授H．闵科夫斯基完成的。有趣的是，几年前，阅科夫斯基在苏黎世大学教过爱因斯坦数学。1908年，闵科夫斯基发表论文，引进四维“时空”概念，取代了孤立的三维空间与外加一维时间的不相容概念，他还把相对论转化为现代张量形式（这要求物理学家们进一步学习由里奇和列维西维塔建立的新的数学理论），在相对论中引进专业术语，并明确指出：由相对论观点看，传统的牛顿引力理论已经不够用了（佩斯1982，152）。很明显，爱因斯坦开始并没有理解闵科夫斯基工作的意义，甚至认为把他的理论写成张量形式是“多余的技巧”（同上）。但到了1912年，爱因斯坦终于转变过来了；1916年，他以感激的心情承认闵科夫斯基使他大大地简化了从狭义相对论向广义相对论的过渡。爱因斯坦（1961，5657）后来着重强调了闵科夫斯基的贡献，他说，如果没有他，“广义相对论……也许还在襁褓中”。英译本经常采用的语句是“no furthr than its longcloths”。尽管“windel”在德文中最普遍的意思是“尿布”，但这里的含义显然是：如果没有闵科夫斯基，广义相对论一定还在孕育之中。
闵科夫斯基的时空观首次公开发表于1907年11月5日的一次演讲中，演讲的标题是“相对论原理”。但这篇演讲直至闵科夫斯基去世后六年的1915年才出版。不过借助在1908年和1909年发表的另外两篇论文，闵科夫斯基的时空观已经流传开了（加里森1979，89）。闵科夫斯基充分认识到了他的贡献的重要性。在1907年演讲时，他开宗明义地说：“先生们，我想向诸位讲述的时空观念……从根本上是全新的，……由此，孤立的空间和时间观念本身将注定要消失在阴影之中”。事实上，闵科夫斯基在这篇演讲的初稿上，把他的新时空观的“特征”说成是“革命的”，而且是“极端革命的”（同上，98）。可是，在讲演稿最后付印时，“革命的”这类词语被删除了。
M．玻恩向我们讲述他最初阅读爱因斯坦论文时的经过，这让我们了解到爱因斯坦的概念是多么深奥难懂，甚至对于那些没有数学问题的人也是如此。1907年，当洛里亚向他介绍爱因斯坦论文时，玻恩正是H．闵科夫斯基大学研究班的成员，因此，“对相对性思想和洛伦兹变换很熟悉”。他回忆说，即便如此，在阅读爱因斯坦论文时，“爱因斯坦的推理超出我的意料之外”。玻恩发现，“爱因斯坦的理论是全新的和革命性的”，是天才的创造。爱因斯坦的观点“向I．牛顿建立的自然哲学以及传统时空观大胆提出了挑战”。现在看来，玻恩确实认识到了爱因斯坦思想革命和理论革命的威力，但也清醒地看到了真正的科学革命尚未到来。新的观念和新的思维方式仍在研究之中，要科学家们接受、应用并作为他们共同的思想基础还须假以时日。玻恩后来明确指出，事实上，爱因斯坦理论是如此激进，如此新奇和革命，以至必须“做出相当努力才能很好地消化和吸收”。而且他还提醒我们，“并不是每个人都能够或愿意这么做”，看来他本人当初是做到了。爱因斯坦革命要求人们普遍接受关于物质世界的全新的思考方式。
1909年美国科学家G．刘易斯和R．托尔曼发表的文章，清楚地说明了接受爱因斯坦假说的实际困难。他们承认爱因斯坦的相对性原理“综合了大量实验事实，没有出现矛盾的反例”，其中他们列举布歇尔的实验作为支持这一理论的重要依据。然而，他们在感到相对论基本“原理”这一方面无可挑剔时，也感到另一方面暴露出的问题。例如，“绝对运动无法观察到”这一普遍原理表示理解时，他们觉得相对于任何独立观察者光速不变的原理令人难以接受（米勒1981，251－252）。他们认为，后一原理将导致长度和时间相对性的“奇异结论”，这可能是“基于某种感官心理学上的科学幻想”。
时间一年年地过去，越来越多的物理学家终于转变了过来。然而，他们当中有许多人只接受爱因斯坦公式，承认“收缩性”是光速不变性引起的空间问题的基础。但是，他们仍然坚持绝对时间和同时性的信仰（包括洛伦兹在内，见米勒1981，259）。1911年4月，法国物理学家B．朗之万在波隆那哲学家大会上发表演说，为相对论增添了更为轰动性的色彩。朗之万是一位卓越的科学家，爱因斯坦曾经说过，如果他没有发现狭义相对论，朗之万将会发现它。在讨论时间相对性或钟慢问题时，朗之万没有采用爱因斯坦那种利用运动时钟和静止时钟解释时间效应的费解的作法，而是用所谓的“孪生子悖论”取代了爱因斯坦的“时钟悖论”，并立即成为众所皆知的由相对论引出的怪物。相对论的时间问题是这样产生的：如果一对孪生兄弟一个留在地球上，另一个去星际空间旅行，那么当旅行的兄弟返回地球时，竟会发现与留在地球上的兄弟的年龄已经不同了。朗之万列举的另一个例子是，旅行者沿直线飞向一颗恒星，绕其一周后原路返回。如果旅行的速度足够大（当然比光速小），最后旅行者将发现，在他两年的旅行中，地球已经度过了漫长的两个世纪。哲学家H．相格森后来承认，正是朗之万19if年4月的演讲，“第一次唤起了我对爱因斯坦观念的注意”。
时钟（或孪生子）悖论很快成为（在某种程度上今天仍然是）相对论使人困惑甚至招来敌意的原因。V．劳厄曾谈到那些反对相对论的“思想内容”、基本公式或数学结果的人。1911年他写信给爱因斯坦，反对相对论的共同理由“主要是时间相对性和由此产生的悖论”。劳厄在1912年写的第一部相对论教科书中指出：这些悖论和其它有关时间相对性的问题具有“伟大的哲学意义”，正是由于这一原因，“只能用哲学方法”对待这些问题。我们还注意到，爱因斯坦在1911年讨论这一见解时，使用了理想实验的方法。他假设把装有“小生物的盒子”送向“遥远的飞行旅程”，结果在它返回地球时，“盒子的内部情况几乎没有变化”，而留在地球上的生物已“繁衍生息许多代了”。
尽管许多人不愿轻易接受爱因斯坦对物理学基本思想进行彻底重构，但他们却已在应用爱因斯坦的数学结果了。劳厄（和另一些人）曾指出，这些数学结果在形式上和洛伦兹理论的结果是一致的，但它们的‘物理本质’御有差异。劳厄甚至宣称（1911），两种理论的“实质差别是不可言喻的”。但人们很快就认识到爱因斯坦的理论更加优越，特别是在广义相对论建立之后，狭义相对论的重要性尤其显露出来。
大约到了1911年，爱因斯坦的狭义相对论已经有了数量足够多的拥护者，一场科学革命发生了。同一年，A．索末菲宣布，相对论理论已经“完整地建立起来了，它不再是物理学的前沿了”（米勒1981，257）。1912年初，刚刚获得1911年度诺贝尔物理学奖的W．维恩建议，授予爱因斯坦和洛伦兹这项最高奖赏。他在推荐书上写道：从“逻辑的观点看”，相对论原理“应当被看作理论物理学最重要的成就之一”（佩斯1982，153）。他说，目前已有“实验明确证实了这一理论”。他总结说，“洛伦兹是发现相对论原理数学内容”的第一人，而爱因斯坦则“成功地将相对论简化为一个简单的原理”。
当然，并不是所有物理学家都接受这一革命性的新观念。范德瓦尔斯在1912年说，至今还不能解释为什么质量和长度随着速度的变化而变化（米勒1981，258）。除了时间相对性引起悻论外，在否定绝对长度、时间和质量方面还引起了更根本性的反对意见，而“同时性的相对性”也是很难令人接受的。然而更加困难的是抛弃以太概念。如果没有介质支承，光和其它电磁波如何在空间存在呢？反对意见和声势如此强烈，也可看作是新理论革命性质的一个标志。
在众多的反相对论的观点中，普林斯顿大学的W．F．马吉教授（1912，293）很有代表性。19if年，他在美国物理学会作会长就职演说时说，相对论原理不能满足这样的标准：任何“真正有用的终极答案……应当为每一个人所能理解，包括训练有素的学者及一般公众”。对他来说，相对论无法使人理解，因为它不能“用普通的，任何人都能明白的力，空间和时间概念来描述”。可是他显然并不清楚，牛顿的力和惯性的概念在1687年时是多么新奇！他显然也不懂得，除了少数几个学过理论物理学的人之外，真正懂得力和概念这些“普通概念”的人是多么稀少！
马吉还宣称，“应当问问相对论发展中新思想的创造者，他们是否认识到这一理论的用途是多么有限，是否认识到它用可理解的术语描述宇宙是多么的无能为力”。他准备“警告他们最好先收起他们的辉煌理论，除非能够通过简化，利用普通物理学概念圆满解释相对论原理”。
L．T．莫尔1912年在《自然》杂志（1912，94：370－371）上发表评述文章，总结归纳了马吉演说中的观点，并就科学革命作出了以下论述：
爱因斯坦教授的相对论和普朗克教授的量子论已被喋喋不休地宣布为自牛顿时代以来科学方法上最伟大的一场革命。他们用数学符号作为科学的基础，拒绝承认数学符号背后潜在的坚实的实验基础，因而用主观宇宙取代客观宇宙。从这一角度来看，他们的做法无疑是革命的。问题是，他们这样做是前进还是倒退，是走向光明还是陷入黑暗？一般认为，伽利略和牛顿开创的革命依靠科学家们的实验方法取代了学院派的形而上学方法，这显然是正确的。而现在，所谓的新方法似乎恰恰相反，因此，如果这里包含什么思想革命的话，那事实上不过是返回到中世纪的繁琐哲学的方法中去。
大约在20年后，L．T．莫尔（现任辛辛那提大学研究生院院长）在他撰写的牛顿传记（1933，333）中，仍然表达了他对“爱因斯坦教授广义的相对论”的厌恶，他指责这是“通向唯心主义哲学的最大胆的企图；这样的哲学只是灵活思维的逻辑游戏，完全无视客观世界的事实；它或许是有趣的，但却深深陷入了经院哲学”。他总结道，如果坚持相对论物理学（及其哲学），“将导致科学颓废变质成为中世纪经院哲学和宗教神学”。读者对于莫尔污蔑数学和符号逻辑学的伟大发展也许不会感到奇怪，他写道（同上，332），“值得注意的事实是，两部伟大的著作，两部或许是科学头脑所能做出的最天才的创造，现在正受到攻击：《新工具》受到现代符号逻辑学家的攻击；《原理》受到相对论物理学的攻击”。他最后的结论是：“当现代派被长期遗忘之后，亚里士多德和牛顿将会重新受到尊重；他们的学说将重新获得应用”（同上），从这些事例中我们可以发现，一场科学革命的深度与保守主义的猖狂进攻的猛烈程度以及它给科学思想所带来的根本变化的程度是成正比的。
广义相对论
爱因斯坦曾经说过，即使他没来到这个世界上，狭义相对论也会出现，因为“时机已经成熟”（英费尔德1950，46），但广义相对论则不然。他怀疑，如果他未建立广义相对论，“它是否会为人所知”。广义相对论被称作“第二次爱因斯坦革命”（同上）。这是一次极大的飞跃，正当许多物理学家开始接受狭义相对论时，它再一次把他们抛在后面。普朗克曾以极大的热情欢迎狭义相对论并成为最早的支持者之一，他曾对爱因斯坦说：“现在一切都要解决了，你为什么还要招惹其它另一些事呢？”爱因斯坦之所以这么做是因为他是一位天才，远远走在了同时代人的前面。他懂得狭义相对论是不完满的，未能解决加速度和引力问题。他后来谈到导致他思想豁然开朗的主要思想（他曾将其称为“一生中最令自己兴奋的思想”，见佩斯1982，178引用的爱因斯坦的回忆。）是1907年11月在伯尔尼专利局工作时产生的。这个思想是：“一个人在自由下落时，将感觉不到自己的重量。”他说，这一“最简单的思想”促使他天。始研究引力理论，但直到1915年，他才发表了比较完整的广义相对论理论，第二年他又发表了被一位传记作家称为“钦定版本”的广义相对论，这个理论的建立主要基于英费尔德所说的“三个主题”：引力，等效原理，几何学与物理学的关系。理论的核心则是新的引力场定律和引力场方程，有人说，麦克斯韦在电磁场上做过什么工作，爱因斯坦在引力场也做过什么工作。广义相对论引人注目的特征之一是将牛顿力学中的引力简化为四维时空中的弯曲。J．H一吉恩斯在《不列颠百科全书》1922年第12版的相对论条目中写道：“宇宙图景”的新情景不再是“三维空间中一片以太海洋的受迫振动”，而是“四维空间世界线上的一个纽结”。
广义相对论提出了三个可检验的预言。第一个是水星的近日点的摄动，该现象指出，轨道上运动的行星在绕太阳运行时，每完成一个周期并非精确返回到空间的原来位置，而是稍稍有些前移。这一事实早在19世纪中叶就已发现，但经典的牛顿天体力学无法对摄动现象做出满意的解释。第二个预言是，光线在引力场中将发生偏转。按照这个说法，星光在经过太阳附近时，将受到太阳引力的影响而偏折。结果是恒星的机位会有一个变化。观测这一现象只有发生日全蚀时才能进行，否则太阳的强烈光线使地面上根本观测不到太阳附近的恒星光线（瑞士天文学家M．施瓦兹柴尔德对这个现象做了详细的定量描述）。第二个预言通常被称为谱线“红移”，即恒星辐射总是背离我们而去。这就是广义相对论提出的三项检验方法。但我们知道当时正是1915年，第一次世界大战的硝烟笼罩在各科学发达国家的上空。爱因斯坦正在柏林，不可能进行任何日蚀观测。
但爱因斯坦没有停止工作，1917年，他在《普鲁士科学院院刊》上发表论文，题为《广义相对论宇宙观》。尽管其中的结论已被抛弃，但这篇论文开辟了理论物理学的一个新领域。爱因斯坦指出，“义相对论能为我们的宇宙结构……问题带来希望之光”。科学的宇宙学研究由此创立，它把宇宙从形而上学的一个分支转变为物理学和天文物理学的一部分（英费尔德1950，72；“论爱因斯坦和宇宙学”，见佩斯1982，&15）。
英国无文学家A．爱丁顿在战时研究了爱因斯坦的著作（见第25章），并很快成为爱因斯坦思想的忠实信徒和热情宣传者。他后来写了大量著作，包括权威性的《引力相对论理论报告》（1918），学术著作《相对论的数学理论》（1923），两部通俗著作《空间，时间和引力》（1920）以及《物质世界的本质》（1928），此外还有大量的演讲，文章和小册子。P．A．M．狄拉克回忆说，他在布里斯托尔大学读书时，就是通过爱丁顿的著作才最初接触到相对论的。更为重要的是，第一次世界大战刚一结束，爱丁顿立即在1919年组织了一支英国日蚀观测队，去检测星光经过日全蚀太阳时将发生偏转的预言。与预言相符观测结果立即震撼了全世界的科学家和公众。
今天很难想像1919年世界科学界的无限兴奋之情。两支观测队分别出发，一个派往巴西的索布拉尔，另一个由爱丁顿率领来到西班牙所属圭那亚海岸附近的普林西比岛。1919年秋，观测数据进行了整理和分析后，在11月6日召开的英国皇家天文学学会和皇家学会的联席会议上天文学家们宣布：“星光确实按照爱因斯坦引力理论的预言发生了偏折。”皇家天文学会的侧察部杂志和《皇家学会会刊》都对历史性的会议作了充分报道。著名科学家J．J．汤姆森是会议主席，他宣称：这是“自牛顿以来引力理论的一项最重要的成果”，是“人类思想的最伟大的成就”。第二天，1919年11月7日，历来严谨的英国《泰晤士报》赫然出现了醒目的标题：“科学中的革命”，两个副标题是“宇宙新理论”，“牛顿观念被推翻”。11月8日，《泰晤士报》又发表了另一篇论述革命的文章，标题为“科学革命”，“爱因斯坦挑战牛顿”，“杰出物理学家的观点”。文章告诉读者，“这件事成了下议院热烈讨论的话题”；卓越的物理学家，皇家学会会员，剑桥大学J．拉莫尔教授“受到围攻，要求对牛顿是否被击败，剑桥大学是否垮台做出答复”。荷兰的报纸也迅速刊登了这一消息。H．A．洛伦兹在11月9日的《鹿特丹报》上发表文章，《纽约时报》立即翻译转载。11月23日，M．玻恩也在《法兰克福大众报》上发表文章。12月14日，爱因斯坦的照片刊登在《柏林画报》周刊的封面上，照片下的文字说明宣称：爱因斯坦开创了“人类自然观的一场革命”；他的洞察力堪与哥白尼、开普勒和牛顿相比（佩斯1982，308）。在12月4日《自然》杂志的一篇文章中，E．昆宁翰指出：爱因斯坦的“思想是革命性的”。
A．佩斯（1982，309）曾核查了自1919年11月9日开始《纽约时报》索引中有关爱因斯坦和相对论的文章标题或传奇故事。“爱因斯坦理论的
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